余弦方波电压作用下不同水树长度缺陷XLPE材料的击穿特性

魏力强，贾伯岩，王 伟，吴 峰，张 鹏

（1.国网河北省电力有限公司电力科学研究院，河北 石家庄 050021；2.华北电力大学 高电压与电磁兼容北京市重点实验室，北京 102206）

0 引言

XLPE电缆绝缘的老化是引起电网运行事故的主要原因之一，而水树老化是电缆绝缘老化的重要原因之一[1]。目前关于交联聚乙烯(XLPE)中水树的研究普遍采用加速水树老化试验的方法培育水树，以研究水树对XLPE绝缘性能的影响[2-4]。研究表明，当XLPE中有水分时，在较低场强下即可诱发水树[5-6]，并且随着加速水树老化时间的增加，XLPE的交流击穿电压及其威布尔分布变化明显[7]，XLPE的介电性能也会发生变化[8]。电压频率的提高对水树的生长具有加速作用[8-11]，相同时间下，在6～10 kHz电压作用下水树的生长长度是50 Hz电压作用下水树生长长度的5～20倍。此外，交联度[12]、电压极性[13]、温度[14]等因素均会对电缆中水树的生长特性以及形貌特征产生影响。水树在一定条件下会转化为电树[15]，当电树发展到一定程度时甚至会导致电缆击穿。因此，及时发现电缆中的水树并进行处理具有重要的工程价值。

耐压试验是考核电缆绝缘性能的基础试验，由于电缆容量大，0.1 Hz超低频耐压试验被广泛采用[16-18]。超低频耐压试验仪的测试方式有正弦波和余弦方波两种，其中余弦方波的设备功率需求低，极性转换波形接近50 Hz工频电压，是一种新型的试验电压波形。当前水树缺陷的研究以模拟和观测形态为主，利用0.1 Hz超低频耐压试验能否发现水树缺陷以及何种程度的水树缺陷可以被发现还有待研究，此外，对于0.1 Hz余弦方波电压作用下水树缺陷的击穿特性尚未见报道。

本研究采用水刀电极法[19]，利用高频高压电源对XLPE样本进行加速水树老化试验，制备水树长度占比为30%、60%、90%的XLPE试样。测量试样在0.1 Hz余弦方波电压下的击穿特性，并对击穿试验结果进行理论分析。

1 试验

1.1 XLPE试样的制备

试验选用北欧化工生产的中压交联聚乙烯料，通过交联压制得到厚度为1 mm的压片作为试样。试样尺寸为50 mm×50 mm×1 mm，取中心直径为20 mm的区域作为加速水树老化区域。

为了提高水树缺陷培养的成功率，试验中采用水刀电极法，在试样表面将刀片垂直压入试样内部，如图1所示，在试样表面形成三个刀口，刀口长度为3 mm，保留绝缘厚度0.5 mm，将刀口作为试验中XLPE的缺陷。

图1 水刀电极法制备水树缺陷XLPE试样Fig.1 XLPE sample with water tree defects prepared by water knife electrode method

1.2 水树枝的培养

参考IEC/TS 61956-1999推荐的杯状试验槽并对杯状试验槽进行改进，试验槽结构如图2所示。

图2 杯状试验槽示意图Fig.2 Schematic of cup-shaped experimental tank

为防止由于水的表面张力使得氯化钠溶液无法进入刀口缺陷中，先向杯状试验槽中加入适量浓度为1 mol/L的NaCl溶液，在23～25℃下将试验槽放入真空干燥机中多次抽真空，再向试验槽内注满NaCl溶液。为了提高效率，将10个试验槽并联，施加频率为10 kHz、有效值为1.5 kV的高频电压，通过控制加压时间获得不同水树长度的缺陷试样。

1.3 水树缺陷样本的观测

将试样沿垂直刀口方向切取厚度约为200 mm的薄片，浸泡在90℃的亚甲基蓝中染色4 h，待充分染色后，用无尘布擦拭，然后放在显微镜下观察水树枝的生长情况，采用显微镜配套的软件PHMIPro Standard对水树沿刀口方向的生长长度进行测量。

1.4 余弦方波击穿试验

水树试样的击穿试验直接在试验槽上进行，通过试验槽的高压电极施加余弦方波电压，水树试样处于NaCl溶液中，最大程度模拟工程上电缆的运行和试验环境。

试验采用阶梯升压法，从1.0 kV开始，升压速率为1 kV/5 min。当前超低频耐压施加电压为3U0，对于10 kV电缆，等效峰值电压约为37 kV，耐压时间为1 h，而典型10 kV电缆的XLPE绝缘厚度约为5 mm，故等效峰值场强约为7.5 kV/mm。本研究中试样厚度为1 mm，等效峰值场强为7.5 kV/mm时，施加电压为7.5 kV。因此，试验中最高施加电压控制为7.5 kV，当施加电压达到7.5 kV时不再升压，如保持1 h后未发生击穿，则停止试验。

2 结果与分析

2.1 水树的外观

制备的缺陷试样中水树的典型外观如图3所示。从图3可以看出，水树以刀口为根部向四周生长，水树形态一般通过分形维数表征，因此对水树的分形维数进行了测量。

图3 典型水树缺陷的外观Fig.3 Appearance of water tree in defective cable

首先将图片转化为二值化图像，然后采用计盒维数法[20]对每一水刀电极诱发的水树进行分形维数统计，其计算方法如式（1）所示。

式（1）中：F为欧几里德空间（Rn）非空的有界子集；Nδ(F)是直径最大为δ可以覆盖F的集的最小个数。

水树分形维数的测量结果如图4所示。从图4可知，水刀电极培养1～10 d时，水树的分形维数基本维持在1.85左右。文献[20]研究显示水树的分形维数基本上都是保持在1.85左右，这表明本研究培养的水树是典型的水树缺陷，可以等效实际电缆中的水树缺陷。

图4 不同老化时间下水树的分形维数Fig.4 Fractal dimension of water trees under different ageing time

2.2 水树长度占比

一般认为，水树长度是影响水树缺陷击穿特性的主要因素，因此选择水树长度来判断水树老化程度和水树缺陷击穿强度的关系。本研究定义水树长度占比（D1/D×100%）进行研究，其中D为刀口至切片另一侧的距离，约为0.5 mm，D1为水树垂直方向最长点距离刀口的距离，如图5所示。

图5 水树长度占比的定义Fig.5 Definition of water tree length proportion

由于水树生长的长度具有一定的分散性，无法精确控制，只能通过控制加压时间获得对应大致水树长度占比的试样。通过反复试验摸索，确定了水树长度占比和对应加压时间的大致对应关系，如表1所示。当加压时间为24、40、120 h时，XLPE中水树长度占比分别为30%、60%、90%。各水树长度占比缺陷XLPE试样的典型外观如表1所示。每种水树长度占比缺陷试样的数量为10个。

表1 不同加压时间下XLPE中水树长度占比及图片Tab.1 Proportion of water tree length in XLPE and pictures under different voltage applying time

2.3 击穿电压与击穿时间

对不同水树长度占比缺陷的XLPE试样在0.1 Hz余弦方波电压下进行击穿特性测试，发现对于水树长度占比为30%和60%的水树缺陷XLPE试样在7.5 kV、1 h的耐压过程中均未发生击穿。为此，对部分缺陷试样将电压的施加时间延长至10 h，发现试样仍未发生击穿。同时对余弦方波电压耐压后水树缺陷XLPE试样进行切片观测，并与同组未进行耐压试验的XLPE试样切片进行对比，发现水树缺陷的形貌未发生显著改变。这说明在3U0的等效电场下，0.1 Hz超低频耐压试验无法发现水树长度占比为30%、60%的水树缺陷，也不会导致这两种程度水树缺陷的恶化。

而对于水树长度占比为90%的水树缺陷XLPE试样，10个试样均在施加7.5 kV电压的15 min内发生了击穿，部分缺陷在2 kV电压下即发生了击穿。这说明在3U0的等效电场下，0.1 Hz超低频耐压试验可以发现水树长度占比为90%的水树缺陷。

2.4 击穿时间点和击穿后缺陷的形态

通过对击穿电压波形的统计发现，绝大多数击穿发生在电压的极性变化阶段，也就是余弦方波的上升沿或下降沿位置。

典型的水树缺陷击穿通道外观如图6所示。从图6可以看到，水树缺陷击穿后会形成明显的击穿通道，击穿通道的碳化痕迹明显，但并非树枝状的击穿通道，而是形成了明显的洞状通道，贯穿电极。这说明击穿过程具有明显的热过程，XLPE材料在高温下劣化，产生了相当多的气体，最终贯穿两极。

图6 水树缺陷击穿通道的典型外观Fig.6 Typical appearance of water tree defect breakdown channel

3 讨论

3.1 击穿现象的分析

通过试验可知，对于水树长度占比为30%和60%的水树缺陷XLPE试样，即使延长加压时间至10 h，仍然无法使其击穿，同时微观形貌的观测结果也表明水树缺陷形貌没有明显变化。根据固体电介质的放电理论，固体的击穿包括电击穿、热击穿和电化学击穿3种情况。在本研究0.1 Hz超低频耐压试验中，从水树长度占比为90%的水树缺陷击穿结果及形貌可知，击穿过程具有比较典型的热击穿特征，不涉及电击穿和电化学击穿。而且耐压试验后水树长度占比为30%和60%的水树缺陷的微观形貌未发生明显改变，没有电化学击穿的迹象，这进一步说明本研究中水树缺陷的击穿也未涉及电化学击穿。因此下面以热击穿理论为基础对水树缺陷XLPE试样的击穿展开分析。

根据固体的热击穿理论，固体的击穿受电压幅值和电压作用时间的共同影响。当施加电压的等效场强超过临界场强时，固体电介质从电场中获得的能量高于碰撞电离等因素损失的能量，电介质内部的温度开始上升，累积一定时间后，发生击穿。本研究中水树长度占比为30%和60%的水树缺陷在3U0等效电场的作用下10 h仍未发生击穿，水树的微观形态也没有显著的改变，这是由于此时水树缺陷内的场强尚未达到临界场强，单位时间内固体电介质从电场中获得的能量小于碰撞电离等因素损失的能量。

3.2 试验结果在工程上的指导意义

当使用0.1 Hz余弦方波耐压试验考核电缆绝缘是否存在水树缺陷时，耐压试验存在加速水树缺陷发展的可能，为电缆运行带来极大的隐患。从本研究的试验结果来看，对于水树长度占比为30%和60%的水树缺陷电缆，经过耐压试验后其形貌并未发生明显变化，这说明可以采用0.1 Hz的余弦方波耐压试验对电缆进行耐压考核来发现电缆中的水树缺陷，对于高于临界场强的水树缺陷，可以迅速击穿，而对与低于临界场强的水树缺陷，虽然不能发现但也不会导致水树缺陷的恶化，形成不完全击穿。

4 结论

（1）在3U0等效场强的作用下，0.1 Hz的余弦方波电压可以导致水树长度占比为90%的水树缺陷XLPE试样在15 min内击穿，但即使将加压时间延长至10 h，水树长度占比为30%、60%的水树缺陷等效场强XLPE试样也不会发生击穿。

（2）水树缺陷的击穿存在临界场强，当所施加的电压的等效场强低于临界场强时，延长电压作用时间至10 h，也不会导致水树缺陷的击穿，对水树形态也不会产生影响。

（3）0.1 Hz余弦方波耐压试验可以发现电缆中水树长度占比为90%的水树缺陷，不能发现水树长度占比为30%、60%的水树缺陷，也不会导致此类水树缺陷的恶化。